地球科学原理之十六 冰期旋回中δ13C规律变化的解释和分析

cqg1985

上一回我们已分析了冰期旋回中δ13C和δ18O的变化规律。在这里，我们先来了解一下当今权威学术界对这一现象的的解释。
1  目前学术界对δ13C和δ18O规律变化的解释

  目前为止，学术界对冰期后直接盖在冰碛岩上的碳酸盐岩帽里的δ13C从强负值开始强烈正漂，及整个冰期旋回中δ13C的规律变化，有很多种解释（Kimura, et. al., 1997; Kaufman, et. al., 1991; Derry, et. al., 1992; Hoffman, et. al., 1998; Dickens, et. al., 1995; Kennedy, et. al., 2001; Kennett, et. al., 2000; Bains, et. al., 1999; Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994）。归纳起来，主要有以下三种：

  生物量变化说（Kimura, et. al., 1997; Kaufman, et. al., 1991; Derry, et. al., 1992）；甲烷渗漏说（Dickens, et. al., 1995; Kennedy, et. al., 2001; Kennett, et. al., 2000）；火山脱气说（Hoffman, et. al., 1998; Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994）。

  坚持第一种观点的学者认为，冰期后形成的碳酸盐岩帽中的δ13C负异常，是由于冰期形成，温度变低，进行光合作用的植物受温度的影响，生物量下降，光合作用减弱。通过生物分馏δ12C的能力下降。但生物体的分解并没有太多地减少，或甚至因大量生物的死亡而有所增加。这样，由于δ12C分馏能力减弱和生物体分解释放δ12C能力加强的共同作用，将造成δ12C相对地在大气和海洋里增加，从而造成δ13C的负漂移（Kimura, et. al., 1997; Kaufman, et. al., 1991; Derry, et. al., 1992; 胡修棉， 2001）。

  坚持第2种观点的学者认为，由于受某种高温作用（一般均未说明是那一种来源的高温），海底冰冻层的以甲烷为主的天然气水合物大量气化释放，进入海洋或大气。在海洋或大气中，甲烷被氧化为CO2。这些CO2溶于海洋中，进一步和海洋里的钙、镁等离子结合，形成碳酸盐岩帽。因为甲烷的δ13C强烈负偏，所以，这使海洋或大气中的CO2δ13C也出现强烈负漂移（Dickens, et. al., 1995; Kennedy, et. al., 2001; Kennett, et. al., 2000; 杨瑞东等，2003）。

  坚持第3种观点的学者，以新元古大冰期为例，认为新元古冰期形成雪球地球，海洋被雪球封闭，没有被雪球封闭的陆地上的火山喷发和地震，产生大量CO2气体。这些CO2等温室气体越积越多，温室效应越来越强，最后造成雪球的解体。大量的CO2进入海洋或大气，使雨水呈酸性，加强了岩石的风化。陆地和海洋里的风化产生的大量金属离子结合，形成了碳酸盐岩帽[Hoffman, et. al., 1998]。这样，由于火山喷发和地震产生气体的相对负δ13C值（-7左右），造成碳酸盐岩帽的δ13C值负漂移（Hoffman, et. al., 1998）。其它冰川期，也有类似新元古大冰期的现象发生（Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994）。

2  对已提出解释的可行性分析

  用生物光合作用的强弱变化和生物量的变化来解释δ13C值从强正值向负漂移，理论根据不足。随着冰川的形成，由于温度的影响，植物的量的确会减少，光合作用也会随之减弱。光合作用减弱，只是光合作用对CO2中的δ12C的分馏作用减弱。分馏作用减弱，但并没有停止，仍在进行δ12C的分馏作用。这就是说，若大气和海洋里的CO2的供应和消耗没有太大变化的话。尽管光合作用减弱，随着光合作用（减弱后的）的继续进行，照样会进行δ12C的分馏，大气和海洋中的δ12C会继续降低，δ13C会继续上升。所以，冰川形成后造成的光合作用减弱，并不会导致δ13C的负漂移，只会使正漂移减弱而已。

  冰川形成后，随着温度降低，生物量的确会减少；即光合作用减弱，合成的有机物减少，而分解的有机物增多，导致总生物量减少。总生物量减少，也就是大量生物体被分解为水和CO2。导致构成生物体的δ12C向大气和海洋释放，使大气和海洋中的δ12C浓度升高，δ13C浓度相对下降。冰川消融后，CO2浓度升高，温室效应增强，光合作用增强，合成的生物量大于分解的生物量。分馏（降低）δ12C的能力加强，而产生δ12C的能力减弱，将使δ13C正漂移。这样看来，总生物量的减少，的确能造成冰川形成过程中δ13C的负漂移，和冰川消融过程中的正漂移。

  但是，据测算，现今全球碳库储量见表1（Falkowski, et. al., 2000）。

  表1 全球碳库碳储量（Falkowski, et. al., 2000）

库
数量/Gt
库
数量/Gt

大气
720
陆地生物圈
2000

海洋
38400
活生物量
600~1000

总无机碳
37400
死生物量
1200

表层水
670
水生物圈
1~2

深层水
36730
化石燃料
4130

总有机碳
1000
煤
3510

岩石圈
  
石油
230

沉积碳酸盐
>60000000
天然气
140

油母质
15000000
其它（泥炭）
250


  从表1可见，陆地生物量总和为2000Gt，海洋生物量总和为1~2Gt，海洋有机碳为1000 Gt；大气CO2为720Gt，海洋总无机碳（主要为溶解的CO2和碳酸盐）为37400Gt （Falkowski, et. al., 2000; 王凯雄，2001）。以研究得较为清楚的新元古大冰期为例来说，因那时还没有陆地生物，只可能有海洋生物。假设那时的海洋生物量和现在相近，大气和海洋中的CO2量也和现在差不太多。那时的总生物量最多也只会有2Gt，总有机碳也只有1000Gt，这与大气和海洋中的CO2的和相差太多。就算光合作用一点有机物也不合成，所有的2Gt生物碳全部转化为CO2，甚至包括1000Gt总有机碳也全部转化为CO2，这也远不可能使δ13C值从+10负漂移至-7（张启锐等，2002）。更何况，并不是所有的生物量都全部分解了，只是部分生物量的减少；而溶解在海洋里的有机碳，也不会因为生物的减少而急剧减少。所以，冰川形成时，由于温度下降造成的光合作用减弱，生物量减少，可能会使δ13C产生一点点负漂移，但产生的效果极其有限，绝不可能是使大气和海洋中CO2强烈负漂移的主要原因。

  由于冰川的形成，引起海底火山喷发（见后述），的确有可能使海底冰冻层里天然气水合物，气化成甲烷等气体，进入海洋或大气中。由于甲烷的δ13C值相当低，大量的甲烷气体的渗入，将使局部海洋或大气中的δ13C值急剧下降，引起δ13C的强烈负漂移。

  但是，从表1可见，就现今来说，所有天然气的总量也只有140Gt，而仅大气中的CO2就是720Gt，海洋里溶解的CO2和碳酸盐（条件适宜时，会转化为CO2）则高达37400Gt；就算所有的天然气全是天然气水合物，就算所有的天然气水合物全部转气化成了甲烷，也远不可能使δ13C从+10的值负漂移至-7。更何况，天然气水合物只占所有天然气的很少一部分；因火山喷发被加热气化成甲烷而渗漏入海洋和大气的，又仅是天然气水合物中很少的一部分。所以，一部分天然气水合物气化成甲烷渗漏入大气和海洋，只可能使局部海洋或大气的δ13C适当负漂移，绝不可能是冰川形成后所有碳酸盐岩帽里δ13C强烈负漂移的主要原因。所有碳酸盐岩帽的最强负漂移值也仅-7，这也间接证明，甲烷渗漏使碳酸盐岩帽δ13C负漂移的作用相当小，仅是一种极弱的补充作用而已。若真是以甲烷渗漏为主造成的，因为甲烷渗漏不是均匀分布的，甲烷的δ13C值相当低，低于-60，在甲烷强渗漏的局部区域，负漂移值，应远比-7更负，至少会出现比-10更负的现象。

  相比较来说，火山脱气说正确的成分更多。综上所述，碳酸盐岩帽里的δ13C负漂移既不是因为生物体分解补充δ12C造成的（生物量变化说），也不是因为与生物有关的有机物分解补充δ12C造成的（甲烷渗漏说）；那么，能给大气和海洋补充δ12C，使δ13C负漂移的，就仅只有地球的去气作用了。也即通过火山喷发和地震造成的地球去气作用，给大气和海洋补充了大量含δ12C的CO2气体，使δ13C强烈负漂移。δ13C负漂移的最强负值，也只是-7左右，这也间接证明，δ13C的负漂移，就是因为地球去气气体而造成的。

  从以上分析可见，造成冰期后碳酸盐岩帽δ13C强烈负漂，肯定是由冰川形成和消融，造成火山喷发和地震，使地球内部大量CO2气体排出而造成的。那么，这种大规模的火山喷发和地震是如何发生的呢？它和冰川形成和消融关系如何？这是火山脱气说所面临和急需解决的问题。如何利用冰川学说对以上问题进行解释？且听下回分解。

未完，待续。

下回预告：地球科学原理之17  冰川对火山喷发和地震的影响

参考文献：

胡修棉,王成善,李祥辉. 大洋缺氧事件的碳稳定同位素响应. 成都理工学院学报, 2001, 28(1):1-6

杨瑞东，王世杰，董丽敏，姜立君，张卫华，高慧. 上扬子区震旦纪南沱冰期后碳酸盐岩帽沉积地球化学特征. 高校地质学报,2003, 9(1): 72-80

王凯雄. 水化学. 北京：化学工业出版社. 2001. 257-323  

张启锐，储雪蕾，张同钢，冯连君. 从“全球冰”到“雪球假说”—关于新元古代冰川事件的最新研究. 高校地质学报， 2002，8（4）：474-481

Bains S, Corfield R M, Norris R D. Mechanisms of climate warming at the end of the Paleocene. Science, 1999, 285: 724-727

Derry L A, Kaufman A J, Jacobsen S B. Sedimentary cycling and environmental change in the Late Proterozoic, Evidence from stable and radiogenic isotopes. Geochim. Cosmochim. Acta.， 1992, 56: 1317-1329

Dickens G R, O’ Neil J R, Rea D K, et al. Dissociation of oceanic methane hydrate as a cause of the carbon isotope excursion at the end of the Paleocene. Paleoceanography, 1995, 10: 965-971

Eldholm O, Thomas E. Environmental impact of volcanic margin formation. Earth Planet.  Sci. Lett., 1993, 117: 319-329

Falkowski P et al. The global carbon cycle: A test of our knowledge of earth as a system. Science. 2000, 290: 291-296

Hoffman P F, Kaufman A J, Halverson G P. et al. Neoproterozoic snowball earth  Science, 1998, 281: 1342-1346

Kaufman A J, Hayes J M, Knoll A H, et al. Isotopic compositions of carbonates and organic carbon from upper Proterozoic successions in Namibia：stratigraphic variation and the effects of diagenesis and metamorphism. Precambrian Research, 1991, 49: 301-327

Kennedy M J, Christie-Blick N, Sohl L E. Are Proterozoic cap carbonates and isotopic excursions a record of gas hydrate destabilization following Earth’s coldest intervals？Geology, 2001, 29: 443－446

Kennet J O, Stott L D. Abrupt deep-sea warming, paleoceanographic changes, and benthic extinctions at the end of the Paleocene. Nature, 1991, 353: 225-229

Kennett J P, Cannariato K G, Hendy I L, et al. Carbon isotopic evidence for methane hydrate instability during Quaternary interstadials. Science, 2000, 288: 128-133

Kimura H, Matsumoto R, Kakuwa Y, et al. The Vendian-Cambrian 13C record. North Iran: evidence for overturning of the ocean before the Cambrian explosion. Earth and Planetary Science Letters, 1997, E1-E7

Zachos J C, Lohmann K C, Walker J C G, et al. Abrupt climate change and transient climates during the Paleogene: a marine perspective. J. Geol., 1993, 101: 191-213

Zachos J C, Stott L D, Lohmann K C. Evolution of early Cenozoic temperatures. Paleoceanography, 1994, 9: 353-387



（注：本“地球科学原理”系列，是根据廖永岩著，海洋出版社（2007年5月）出版的《地球科学原理》一书改编而来，转载者请署明出处，请不要用于商业用途）

liuzhi

cug0204

楼主辛苦了，但是能不能合并到一起？

西九岸

好好学习